В современной химии существует множество различных классификаций химических реакций, основанных на изменении существенных свойств веществ участвующих в реакции: изменение степени окисления элементов, изменения в различный группах молекул и т.д. В этой статье я хочу предложить тип классификации, основанный не на конечном множестве различных типов реакций, а на иных принципах, которые по моему мнению, позволяют делать некоторые предположения об осуществимости и условиях реализации той или иной гипотетической или реальной химической реакции.
В настоящее время известно более ста миллионов различных химических веществ, большая часть из которых органические, а точное количество возможных химических реакций настолько велико, что исследовать их все лабораторным путем весьма трудоемкая задача.
Развития компьютерного моделирования во многих отраслях науки и в частности в химии, внедрение перспективных разработок из области искусственного интеллекта, нейронных сетей и машинного обучения позволяет значительно сократить требуемые объемы лабораторных исследований для решения той или иной задачи.
Предлагаемая классификация разрабатывается мной для применения в системах машинного обучения и на текущий момент может являться неполной и/или неточной.
Хочу также отметить, что я не являюсь экспертом в области химии, а лишь увлекаюсь данной наукой как хобби, поэтому возможен непреднамеренный плагиат и другие неточности. Изложенные идеи основаны исключительно на моем понимании химии, поэтому я всегда буду рад квалифицированным комментарии от знающих людей, по обсуждаемой здесь теме.
Итак, отправной точкой этого небольшого исследования будет тот общепризнанный факт, что структура молекулы имеет в химии первостепенное значение. Из чего состоит структура? С математической точки зрения, в общем случае это циклический граф, в вершинах которого находятся атомы, а ребра представлены химическими связями.
Химическая связь весьма интересный объект. По общим представлениям при образовании новой химической связи освобождается некоторое количество энергии, а для разрыва химической связи требуется примерно такое же количество энергии затратить.
В теории химическая реакции выглядит примерно следующим образом: есть реагент или реагенты, которые при определённых условиях (температура; давление; катализатор и т.д.) реагируют между собой и образуют продукт или продукты реакции.
Что происходит в процессе реакции? В общем случае я бы ответил на этот вопрос следующим образом: происходит структурное перераспределение существующих в продукте химических связей, а также образование новых связей и разрыв существующих.
Химическая реакции может выглядеть, например так:
Однако мы начнем с более простых примеров из неорганической химии, для понимания которых будет достаточно школьных знаний. В процессе рассмотрения примеров различных химических реакций я постараюсь объяснить суть предлагаемого метода классификации химических реакций.
Рассмотрим реакцию оксида натрия с водой
Обратим особое внимание на химические связи. Изучив схему реакции, можем сделать вывод о том, что химическая реакция не изменила общее количество и качество химических связей, а лишь распределила их между молекулами в другом порядке.
Можно привести большое количество примеров химических реакций, которые не меняют общее количество и качество химических связей, а лишь распределяют их между молекулами в другом порядке. Однако реакции с условно бесконечными цепями, типа полимеризации этилена или тетрафторэтилена к данному классу химических реакций причислять не следует, т.к. по аналогии с математикой фактор бесконечности весьма специфичен.
Определим этот класс реакций как распределительные и введем следующее обозначение класса: +0R0. Первое число указывает на общее изменение степени окисления всех атомов в процессе реакции +N или –N, второе обозначает количество реформированных исходных связей. Знак минус или плюс указывает на то, что реакция необратима, т.е. протекает только в одном направлении, для обратимых реакций знак указывать не будем.
Общепринято разделять данный класс реакций на три типа:
(I) реакция соединения;
(II) реакция разложения;
(III) реакция обмена.
Далее нам понадобятся некоторые справочные данные о степени окисления:
У всех простых веществ степень окисления равна нулю
Степень окисления кислорода в оксидах всегда равна -2, в соединениях типа перекиси водорода степень окисления кислорода -1 т.к. молекула содержит o-o связь.
Водород в соединении с металлами (в гидридах) проявляет степень окисления −1, а в соединениях с неметаллами, как правило, +1 (кроме $SiH_4, B_2H_6$). Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равной нулю, а в сложном ионе — заряду этого иона.
Вооружившись новыми знаниями, рассмотрим реакцию горения метана
Из схемы реакции следует, что общее количество химических связей, как и в предыдущем примере не изменилось, однако все восемь исходных химических связей были преобразованы в процессе реакции. Степень окисления атома углерода изменилась с -4 до +4, и соответственно 4 атома кислорода изменили свою степень окисления с 0 на -2.
Согласно используемой классификации данную реакцию определим как +8R8. Обратную реакцию соответственно можно классифицировать как -8R8. Особо отметим тот факт, что для целей классификации, практическая осуществимость конкретной химической реакции не имеет существенного значения.
И ещё один простой пример
Также следует обратить внимание, что: Общее количество химических связей до и после реакции не изменяется, но это не точно. В Википедии данный факт объясняют следующим образом:
В химических реакциях должно выполняться правило сохранения алгебраической суммы степеней окисления всех атомов. Именно это правило делает понятие степени окисления столь важным в современной химии. Если в ходе химической реакции степень окисления атома повышается, говорят, что он окисляется, если же степень окисления атома понижается, говорят, что он восстанавливается. В полном уравнении химической реакции окислительные и восстановительные процессы должны точно компенсировать друг друга.
Например, реакции горения углерода и реакция термического разложения карбоната натрия без ошибок валентности должны выглядеть примерно так:
Однако, в реакция термического разложения Тетракарбонилникеля или Гексакарбонил хрома это правило нарушается:
В качестве небольшого отступления: реакция восстановления диоксида углерода до этилена, которую по неподтвержденным пока данным, научились осуществлять при использованием специального медного катализатора.
Реакцию можно классифицировать как -12R12 (реформированы все 12 исходных связей).
Возникает резонный вопрос: всегда ли количество реформированных связей равно по модулю изменению степени окисления? Совсем не обязательно. Например, в реакции гидролиза диэтилового эфира, реформируется только одна O-H связь в O-C связь, при этом степени окисления атомов не меняются.
Теперь рассмотрим самый важный вопрос: зачем нужна подобная классификация?
Как и любая другая классификация, для обобщения и определения некоторых специфических особенностей и закономерностей.
Одна из масштабных задач, создание компьютерной системы способной предугадывать продукты химических реакций, а также генерировать возможные реакции для синтеза достаточно сложных химических веществ.
Не будем делать грандиозных фундаментальных выводов, а сделаем пока лишь некоторые достаточно очевидные предположения, которые возможно подтвердить или опровергнуть только экспериментальным путем.
Например такие:
Реакции класса 0R0 не требуют для реализации существенных энергозатрат, а реакции с большим |N| протекают со значительным поглощением или выделением энергии.
Среднестатистическая сложность реализации обратной реакции возрастает пропорционально росту N и R.
Другие предположения, которые можно обсудить в комментариях к данной статье.
На этом всё, если будут получены какие-либо подтвержденные результаты исследований, то я обязательно напишу продолжение данной статьи.
